Une avancée significative en physique de la matière condensée a été réalisée par des chercheurs de l'Université du Colorado Boulder, qui ont réussi à créer des cristaux temporels visibles en utilisant des cristaux liquides. Cette approche novatrice permet une observation directe des cristaux temporels dans des conditions de laboratoire standard, marquant une divergence par rapport aux méthodes antérieures nécessitant des systèmes quantiques complexes.
L'étude, intitulée "Space-time crystals from particle-like topological solitons", publiée dans Nature Materials le 4 septembre 2025, décrit les cristaux temporels comme une phase de matière unique qui manifeste un mouvement périodique dans le temps sans apport d'énergie, remettant en question les concepts traditionnels d'équilibre. Contrairement aux cristaux spatiaux, caractérisés par des motifs répétitifs dans l'espace, les cristaux temporels maintiennent un ordre dynamique basé sur le temps.
L'équipe de recherche, dirigée par l'étudiant diplômé Hanqing Zhao et le professeur Ivan Smalyukh, a utilisé des molécules de cristaux liquides en forme de bâtonnets confinées dans des cellules de verre. En exposant ces molécules à des sources lumineuses spécifiques, ils ont induit des motifs de mouvement persistants ressemblant à des structures évoluant dans le temps. Ces motifs sont restés stables pendant des heures sans apport d'énergie externe, démontrant la robustesse de la phase de cristal temporel.
La formation de "kinks", des distorsions localisées dans l'agencement moléculaire, a joué un rôle crucial dans ce phénomène. Sous l'effet de la lumière, les molécules de colorant recouvrant le verre exerçaient des forces mécaniques sur les cristaux liquides, provoquant la formation, le mouvement et l'interaction de ces kinks de manière complexe. Ce comportement de type particulaire a incité les cristaux liquides à présenter des séquences méticuleusement chorégraphiées.
Cette avancée ouvre la voie à des applications potentielles dans divers domaines, notamment des mesures d'authentification ultra-sécurisées et des technologies de stockage de données avancées. La capacité d'observer directement les cristaux temporels sous un microscope ordinaire simplifie les configurations expérimentales et ouvre la voie à l'intégration de ce phénomène dans des technologies pratiques.
L'inspiration pour cette recherche remonte à la proposition visionnaire du lauréat du prix Nobel Frank Wilczek en 2012, suggérant l'existence de cristaux temporels comme une nouvelle phase de la matière brisant la symétrie temporelle. Il est à noter qu'en 2021, une équipe de physiciens a utilisé le processeur quantique Sycamore de Google pour créer un réseau d'atomes présentant des caractéristiques de cristaux temporels par le biais de fluctuations répétées induites par laser. L'innovation du groupe CU Boulder se distingue par l'exploitation de cristaux liquides classiques, rendant l'observation directe réalisable et simplifiant considérablement les configurations expérimentales.
La configuration expérimentale conçue par Zhao et Smalyukh impliquait l'interposition d'une solution de cristaux liquides entre deux plaques de verre, chacune recouverte de molécules de colorant spécifiques répondant dynamiquement à la lumière. Lorsqu'elles étaient illuminées, ces teintures subissaient une réorientation moléculaire, imposant des contraintes physiques à la matrice de cristaux liquides, ce qui déclenchait l'émergence spontanée des kinks mentionnés précédemment.
Du point de vue technique, ces solitons topologiques agissent comme des entités discrètes quasi-particulaires dont les interactions donnent lieu à un comportement collectif. Cette approche permet une compréhension intuitive de l'ordre temporel complexe ancré dans la physique classique, comblant le fossé entre les cristaux temporels quantiques et les effets observables macroscopiques.
Les applications potentielles de tels cristaux temporels sont vastes. L'intégration de ces matériaux dans la monnaie pourrait révolutionner les technologies anti-contrefaçon, le motif évoluant dans le temps et activé par la lumière d'un "filigrane temporel" étant extraordinairement difficile à répliquer. La simplicité de la génération de ces cristaux temporels souligne l'accessibilité et la scalabilité de cette approche, ne nécessitant ni environnement extrême ni matériau exotique.
Au-delà des implications technologiques, cette découverte enrichit la physique fondamentale en fournissant une manifestation tangible de la rupture de symétrie de translation temporelle dans un système classique. La notion que la matière peut maintenir un état stationnaire hors équilibre avec un comportement temporel périodique défie les hypothèses de longue date et inspirera de nouveaux modèles théoriques et des investigations expérimentales.
Zhao et Smalyukh sont affiliés à l'Institut International pour la Durabilité avec la Matière Méta Chirale Nouée (WPI-SKCM2) dont le siège est à l'Université d'Hiroshima au Japon. Leur effort collaboratif illustre la nature de plus en plus mondiale de la recherche de pointe, combinant l'expertise à travers les continents pour explorer les domaines inexplorés de la physique espace-temps.
À l'avenir, la découverte des cristaux temporels visibles marque le début d'un voyage passionnant. Alors que les chercheurs affinent les mécanismes de contrôle, explorent de nouveaux matériaux et approfondissent la mécanique sous-jacente, la communauté scientifique anticipe une ère où les motifs temporels deviendront aussi manipulables et intégrés à la technologie que le sont aujourd'hui les structures spatiales.